汽车防滑控制系统ABS/ASR基本原理及发展趋势

admin

1 ABS/ASR的基本原理

1.1 ABS的基本原理
ABS（Anti-lock Braking System，即防抱死制动系统）是在制动期间控制和监视汽车速度的电子控制系统。在汽车制动的过程中，它通过常规制动系统起作用，能够自动地控制车轮在旋转方向上的打滑，并把相应的滑移率控制在最佳范围之内，可提高汽车的主动安全性。
在汽车的制动过程中，使汽车制动而减速行驶的外力是路面作用于轮胎胎面上的地面制动力。但地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力：一是制动装置对车轮的摩擦力，即制动器制动力；另一个是轮胎与路面间的摩擦力，即地面附着力。只有当汽车有足够的制动器制动力及地面附着力时，才能获得足够的地面制动力。
汽车制动过程中，车速和车轮转动线速度（轮速）之间存在着速度差，也就是车轮与地面之间有滑移现象。一般用滑移率S来表示滑移的程度

  
式中：u—车速；w—轮速。
试验和理论分析表明：在制动过程中，滑移率S是与制动的距离、制动时的方向可控性和制动的平稳性密切相关的可控制的量。其原因在于滑移率与汽车和地面间的纵向附着系数μB及侧向附着系数μS的关系呈一定的非线性曲线关系，见图1制动控制区。滑移率S=0时，汽车处于非制动状态，纵向附着系数μB=0，侧向附着系数μS处于最大值；汽车处于制动状态时，μB随滑移率S的增大而增大，μS随滑移率S的增大而减小，当滑移率S达到某个数值时，μB达到最大，这时的滑移率称为最佳滑移率（用SK表示）；之后随着滑移率的增大，μB和μS不断减小，滑移率S=100%时，车轮完全抱死，μB降到一数值，μS≈0纵向附着力不大，侧向附着能力几乎尽失，汽车的制动稳定性、方向稳定性和转向能力将完全丧失。

  
滑移率S在0～Sk区间，可保证稳定制动，称为稳定区；在Sk至100%区间为不稳定区，当滑移率S超过Sk后，车轮很快就会进入抱死状态。当滑移率S处于10%～30%之间时，纵向附着系数μB处于峰值范围，侧向附着系数μS也比较大，可以同时得到较大的纵向和侧向附着力，是安全制动的理想工作区域。
ABS的基本原理就是通过调节制动管路的压力，控制车轮制动器的制动力，使汽车在紧急制动时，轮速保持在适当的范围内，车轮滑移率控制在10%～30%的稳定制动区段上，车轮不被抱死，既能保持最大的制动力，又能充分利用车轮附着力，大大提高制动效能。
1.2 ASR的基本原理
ASR（Anti-Slip Regulation，即驱动防滑系统）也叫自动牵引力控制TCS（Traction Control System），是一套在ABS基础上发展起来，与ABS一起对打滑的驱动轮进行控制的系统。
汽车的行驶受行驶牵引力和附着力的限制，即要满足
  
式中：∑Ff——汽车行驶阻力；F1——汽车牵引力；Fφ——汽车附着力。
如果路面的附着系数很小，容易使汽车的牵引力超过轮胎与路面间的附着极限（即Ft>Fφ），产生驱动轮过度滑转，后轮驱动的汽车将可能甩尾，前轮驱动的汽车则容易方向失控，导致汽车向一侧偏移。驱动防滑的基本原理与制动防滑相似，根据地面附着系数和车轮滑移率的关系曲线（见图1驱动控制区），把车轮滑移率控制在一定范围内，提高地面附着力的利用率，改善驱动性能。
目前，ASR常用的控制方法有种：一是调整发动机加在驱动轮上的转矩的发动机控制。汽油机常通过控制燃油喷射量、点火时间、节气门开度来减低其输出转矩；柴油机常通过控制燃油喷射量来减低其输出转矩。二是对发生打滑的驱动轮直接施加制动的制动控制。如果驱动轮在不同附着系数的路面上，通过对打滑的驱动轮实施制动，降低滑移率，提高驱动力。对于附着系数相同的路面，可通过发动机控制来实现防驱动轮打滑，也可对打滑的两驱动轮实施制动；为防止制动蹄过热，当车速高于一定值时，制动控制将不起作用，要依靠发动机控制。
ASR与ABS有十分密切的联系，是ABS的自然延伸。二者在技术上比较接近，部分软、硬件可以共用。ABS所用的传感器和压力调节器均可为ASR所利用，ABS的电子控制装置只需要在功能上进行相应的扩展即可用于ASR装置。在 ABS的基础上，只需添加ASR电磁阀，即可对过分滑转的车轮实施制动。对电控发动机来说，通过总线就可控制发动机的输出力矩。非电控发动机，只需增加一些传感器和执行机构，就可控制发动机的输出力矩。基于此，通常把二者有机地结合起来，形成汽车ABS/ASR防滑控制系统。


2 ABS/ASR的国内外发展状况

2.1 国外发展状况
早在1928年防抱死制动理论就被提出。BOSCH公司在1936年第一个获得了防抱死制动系统的专利权。1954年，FORD公司将ABS装在林肯轿车上。这一时期的各种ABS的轮速传感器和制动压力调节装置都是机械式，因此，获取的轮速信号不够精确，制动压力调节的适时性和精确性也难以保证。
随着电子技术的发展，ABS进入电子控制时代。20世纪60年代后期到70年代初期，凯尔塞·海伊斯公司研制生产的两轮制动的ABS、克莱斯勒公司与BENDIX公司合作研制的四轮制动的ABS、BOSCH和TEVES公司研制的ABS、WABCO公司与BENZ公司合作研制的装备在气压制动的载货汽车上的ABS，都是由模拟式电子控制装置对设置在制动管路中的电磁阀进行控制，直接对各制动轮以电子控制压力进行调节。由于模拟式电子控制装置反应速度慢、控制精度低、易受干扰，致使各种ABS均未达到预期的控制效果。
20世纪70年代后期，ABS采用数字式电子技术，反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，ABS进人实用化阶段。BOSCH公司在1978年首先推出了采用数字式电子控制装置的ABS——BOSCH ABS2。自此，欧、美、日的许多公司相继研制了形式多样的ABS。自1985年起，BOSCH、TEVES、BENDIX、WABCO等公司开始对ABS的生产大力投资，以满足汽车对ABS需要量增加的要求。
目前，国际上ABS在汽车上的应用越来越广泛，已成为绝大多数汽车的标准装备，北美和西欧的各类客车和轻型载货汽车，ABS的装备率已达90%以上，轿车ABS的装备率在60%左右，运送危险品的载货汽车ABS的装备率为100%。
1971年BUICK公司研制了由电子控制装置自动中断发动机点火，以减小发动机输出转矩，防止驱动车轮发生滑转的驱动防抱死系统，成为ASR的雏形。1985年，VOLVO公司试制了电子牵引力控制系统ETC（Electronic Traction Control），通过调节燃油供给量来调节发动机输出转矩，以控制驱动轮滑转率，产生最佳驱动力。1986年，BOSCH推出了该公司的第一个牵引力控制系统TCS。
仅依靠调节发动机输出转矩不能解决汽车在对开路面上很好地起步加速的问题。为了解决这一问题，需要对附着不好的一侧驱动轮施加部分制动，以充分发挥附着条件较好的一侧的地面驱动力。随着ABS技术的不断发展和成熟，利用ABS压力调节系统可实现这一目标。采用制动干预控制的ASR系统通常都是同ABS集成在一起的，形成ABS/ASR系统。1986年12月，BOSCH公司第一次将ABS与ASR结合起来，率先推出了具有防抱死制动和驱动防滑转功能的防滑控制系统ABS/ASR 2U装置。同期，BENZ公司与WABCO公司也联合开发出了应用在载货汽车上的ABS/ASR系统。
此后，各大汽车公司纷纷开始应用ABS/ASR系统，使其成为顶级豪华车的标准配置。随着各大公司不断开发出结构更紧凑、成本更低、可靠性更强、功能更全面的ABS/ASR系统，ABS/ASR系统也逐渐应用于中、低档汽车上。到1997年时，已经有23家汽车厂商的近50种车型使用了ABS/ASR系统。
2.2国内发展概况
国内研究开发ABS起步较晚，约始于20世纪80年代中期。但我国对ABS的系统开发十分重视，制定相应的法规力促ABS的发展。1993年4月1日开始实施的GB 13594-92《汽车防抱死制动系统性能要求和试验方法》，为ABS成为标准装备提供了试验方法和依据。1999年10月1日实施的GB 12676——1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》规定：2003年10月1日以后，大型客车和大型载货汽车必须安装符合GB 13594中规定的一类ABS。
目前，国内研究ABS有代表性的科。研机构有以下几个：吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室、北京理工大学汽车动力性与排放测试国家专业实验室、清华大学汽车安全与节、能国家重点实验室、华南理工交通学院汽车系、济南程军电子科技公司等。这些单位在ABS的仿真、控制量、轮速信号抗干扰处理、轮速信号异点剔除、防抱电磁阀动作响应等方面的研究取得了很多成果。同时对防抱死制动时、的滑移率的计算、滑移率和附着系数之间的关系及ABS的控制算法也有很深的研究。
国内现在生产ABS的公司不少，但大多数公司是和国外著名ABS公司合作生产。完全自主生产开发ABS的有代表性的国内公司有：广州市科密汽车制动技术开发有限公司、重庆聚能汽车技术有限责任公司、东风科技汽车制动系统公司、西安博华机电股份有限公司等。已开发生产的产品有单通道、三通道、四通道、六通道的气压和液压式的，适用于摩托车、轿车、大中型客车一、重型载货汽车、挂车的ABS及相关零部件。这些ABS的制动性能指标达到了国外同类产品的水平，部分试验数据优于国外公司同类产品，在国内占有一定的市场。
估计2005年我国新生产的中、重型载货汽车，大、中型客车ABS的装车率为100%，而小、微型客车ABS的装车率为20％，轿车ABS装车率为50%。
国内对ASR的研究，大约开始于20世纪90年代。一些科研单位如清华大学、吉林工业大学、北京理工大学、同济大学、上海交通大学、济南重汽技术中心等对ASR技术的发展进行跟踪、研究，并取得了阶段性进展。目前，我国科研人员主要针对ASR控制系统的控制策略、控制算法、逻辑等关键环节进行研究。由于受电控发动机的限制，我国目前在ASR系统的控制理论方面大多侧重于采用以制动控制为主、发动机控制为辅的控制方法。总的来说，距离产品化研究还有一定的差距。因此国内尚无自主研发的集ABS和ASR为一体的ABS/ASR防滑控制系统产品出现。

3 ABS/ASR的发展趋势

3.1 ABS/ASR控制技术的提高
目前，虽然ABS/ASR已经广泛应用，但控制方法还是以逻辑门限值控制为主。该控制方法虽比较简单，但逻辑复杂，所有的门限值都需要大量的实验来确定，调试起来很困难。而且，采用逻辑门限值控制的ABS/ASR系统通用性比较差，需要针对不同的车型重新开发。随着各种现代控制理论不断发展和完善，采用优化控制理论，可实现伺服控制和高精度控制。将智能控制技术如模糊控制、神经网络控制技术应用到ABS/ASR系统中，可以提高系统的自适应性和可靠性。相对于目前的基于滑移率的控制算法，基于路面附着系数的控制算法容易实现连续控制，能适应各种路面变化，控制滑移率在最佳滑移率附近，使ABS/ASR的控制效果得以改善。
通过先进的测试手段可进一步完善ABS/ASR功能。例如，ABS控制车轮制动防滑时，车速没有直接测量，而是通过轮速的波动情况估取参考车速作为车速，然后计算滑移率用以控制，所以，ABS控制时的滑移率不能保证其准确性。随着传感器制造和集成技术的发展，添加车身速度传感器来测量车身速度，可提高ABS/ASR的控制效果。
线制动系统BBW（Brake-by-Wire）是制动控制系统的发展方向之一。BBW将传统制动系统中的液压油或空气等传力介质完全由电制动取代，电能作为能量来源。制动时由电动机驱动制动钳块，整个系统内没有液、气压管路，可省略许多管路和传感器，因而结构简捷。BBW由电线传递能量，数据线传递信号，制动反应时间缩短，极大地提高了汽车的制动安全性，并为将来的智能汽车控制提供条件。此外，在电子控制系统中设计相应程序，操纵电控元件来控制制动力的大小及各轴制动力分配，可完全实现ABS及ASR等功能。BBW是一种全新的制动理念，但仍有一些问题需要解决：目前车辆的12 V/24 V电源系统无法提供如此大的能量，需采用高品质的42 V电源；因为不存在独立的主动备用制动系统，因此需要一个备用系统保证制动安全；车辆在运行过程中会有各种干扰信号，如何消除这些干扰信号造成的影响是急需解决的问题。
电子制动系统EBS（Electronically ControlledBraking System）是适应对汽车及挂车制动系统稳定性逐步提高的要求，在ABS/ASR基础上发展起来的一套综合电子控制系统。它除了包含ABS/ASR的基本功能外，还具有以下特点：①EBS优化了各车轮间、主车与挂车或半挂车间的制动力分配。通常，对于常规制动系统而言，牵引车和挂车之间的制动协调性不能总是处于理想的匹配状态，尤其在与牵引车相配的挂车经常更换的情况下。EBS会在任何状态下监控到主车与挂车的不兼容性，自动调整主车与挂车之间的制动力分配，满足主车和挂车制动协调性的要求，改善车辆的安全性。前后桥衬片磨损协调，总磨损量达到最小，所有衬片更换间隔一致，缩短了维修时间，降低运行成本。同时，制动力的协调还可以增加制动舒适性。②EBS通过制动管理系统将辅助制动和行车制动统一管理。它确保在每一次制动时，实现无磨损制动（缓速器、发动机制动承担大部分的制动工作，因此可以使行车制动器的温度保持在一个最低的水平，制动衬片的磨损降低）。③改善了ABS/ASR的功能，改善了制动响应时间和车辆的制动反应，缩短了制动距离，改善制动稳定性。舒适的制动感应，几乎达到轿车的制动感受。④EBS具有完善的诊断和自检测功能，可提供关于制动系统的即时信息，任何故障都可以被系统监测到，并准确显示以提示维修。维修专家据此排除故障。
目前，EBS在载货汽车和客车上得到应用，是ABS/ASR在商用车领域的替代产品。ABS/ASR市场将逐渐减少，因为EBS将考虑用于轻型车。
3.2 减小体积与质量，简化结构
汽车上加装一些安全装置，质量随之增加，对燃油经济性不利。所以，在保证安全性的前提下，尽量减少质量。另外，不论是大型车还是小型车，其安装空间都是非常紧凑的，因此要求ABS/ASR装置的体积尽可能的小。减小ABS/ASR体积的主要途径是优化结构设计（如减小压力调节器尺寸）、增加集成度。目前，经过优化的ABS已将制动主缸、压力调节器和电控单元等集成为一体，从而大大减小了体积和成本。
3.3 控制功能的扩展和集成
将各个功能不同的汽车电子控制系统集成，在实现各自基本功能的前提下，形成新的具有更强大功能的集成电控系统是汽车电子控制的必然趋势。把其它控制系统扩展进来，成为综合的汽车控制系统，是ABS/ASR系统的发展方向。目前，ABS/ASR向以下几个方向发展。
a.和电子制动力分配EBD（Electric Brake force Distribution）集成，形成ABS/ASR/EBD系统，可以明显改善并提高ABS的功效。EBD的功能就是在汽车制动的瞬间，高速计算出4个轮胎由于附着力不同而导致的摩擦力数值，然后调整制动装置，使其按照设定的程序在运动中高速调整，达到制动力与摩擦力（牵引力）的匹配，以保证车辆的平稳和安全。当紧急制动车轮抱死的情况下，EBD在ABS动作之前就已经平衡了每一个轮胎的有效地面附着力，可以防止甩尾和侧移，并缩短汽车制动距离。
b.和电子稳定性程序ESP（Electronic Stability Program）系统集成，形成ABS/ASR/ ESP综合控制系统，可解除汽车制动、起步和转向时对驾驶员的高要求。ESP又称汽车动态控制VDC（Vehicle Dynamics Control）。1995年，BOSCH推出基于ABS/ASR系统开发出的电子稳定性程序ESP。ESP在吸收ABS/ASR优点的基础上，添加转向传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器和横摆角速度传感器等传感器，具有启动对制动力和汽车行驶方向进行修正、补偿的功能。ESP通过对各传感器传来的车辆行驶状态信息进行分析，使ABS/ASR自动地向一个或多个车轮施加制动力，将车辆保持在驾驶者所选定的车道内，来帮助车辆维持动态平衡。因此，可以使车辆在各种状况下保持最佳的稳定性，在转向过度或转向不足的情形下效果更加明显。
c.和汽车巡航自动控制ACC（Adaptive Cruise Control）系统集成，形成ABS/ASR/ACC综合控制系统，可解除汽车制动、起步和保持安全车距方面对驾驶员的高要求。ACC装置是近年来发展起来的一项汽车主动安全技术。装备ACC装置，可自动根据主目标车辆与主车车辆的相对距离、相对速度和路面状况参数，判定主车的理想安全距离，并实时自动调节主车车速，使之实际车距不小于理想安全距离，因而，可在较大程度上避免碰撞事故发生，具有良好的安全行驶效果。由于ABS/ASR和ACC都要用到相同的轮速采集系统、制动力调节装置以及发动机调节装置，在汽车ABS/ASR集成装置的硬件基础上，添加一个车距传感器及相应的电磁阀即可实现ACC功能。因此ABS/ASR与ACC的集成，不仅可以降低成本，而且可以提高汽车的整体安全行驶性能。
3.4 与其他控制系统的信息交换和共享，提高整体控制性能
随着汽车电子化程度不断提高，汽车上ECU数目越来越多。为了提高信号的利用率，要求大量的数据信息能在不同的ECU中共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换。传统的电器系统大多采用点对点的单一通讯方式，已远不能满足这种需求。为此，总线技术被引人到汽车电控系统中。今后，ABS/ASR控制系统的开发将基于总线技术进行，实现与其他控制系统的信息共享。例如，利用CAN总线和SAE J1939，可以很容易实现机械式自动变速器AMT（Automatic Mechanical Transmission）和ABS/ASR之间的数据传输，实现资源共享。ABS采集的汽车轮速信号，可以通过变换得到变速器的输出轴转速为AMT所用，可减少传感器，降低控制系统的成本。同时，减少了插接件，使AMT和ABS/ASR系统的可靠性和实时性提高。ABS工作时，可向AMT发出控制信息，要求AMT挂空档，提高ABS的工作性能，使车辆制动更平稳、更有效。ASR工作时可要求AMT向上换档减少力矩，使ASR的控制效果更好。ASR可使AMT避免在低附着路面起步和加速时出现反复换档现象。因此，信息交换和共享可以使两个控制系统的功能比它们单独控制的功能更丰富和有效，使每个控制器的功能都更加完善，便于进行更复杂的控制，为整车控制奠定基础。